Электрохимия
Раздел физ. химии, изучающий процессы и явления, происходящие при прохождении электрического тока через вещества с ионной проводимостью (растворы, расплавы, твердые электролиты), контактирующие с электрическими проводниками (металлами, полупроводниками) и между собой.
Разделы электрохимии:
-теория растворов электролитов
-термодинамика электрохимических систем и др.
Электрохимические процессы на практике:
1)получение активных металлов (Al, Na. Ca,..)
2) Гальванотехника – гальваностегия и гальванопластика
3)Эл/хим рафинирование (Cu, Ni..)
4) Коррозия и защита от коррозии
5)Эл/хим синтез окислителей и восстановителей: Cl2, H2S2O8, KClO3, KMnO4…)
6) Электролиз воды, получение тяжелой воды, целочей
7) Химические источники тока (батарейки, аккумуляторы, топливные элементы)
8) Эл/хим синтез органических веществ
9) Фотовольтаическое преобразование солнечной энергии на полупроводников. Электродов.
10) Создание безотходных технологий, безреагентные способы очистки и подготовки воды, методы контроля воздушного и водного бассейнов
Химические и эл/хим реакции
Fe3+ + J– = Fe2+ + J3–
Химическая реакция:
1) Контакт окислительных и восстановительных частиц
2) Малый путь электрона
3) Хаотичность, не направленность электронных переходов
4) Энергетические эффекты проявляются в виде теплоты
Эл/хим реакция
1) Гетерогенные – протекает на межфазной границе электрод – раствор
2) Перенос зарядов на гетерогранице возможен при достаточном приближении реакгента к электроду
3) Существенная роль строения границы раздела на механизм и кинетику эл/хим реакции
4) Пространственное разделение окислительных и восстановительных процессов
5) Направленность потоков Ox и Red по отношению к электроду
6) Большая часть энергии окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую
Электрохимическая система
Типы эл/хим систем
1) Гальванический элемент (ХИТ-хим источники тока)
(–) Zn|ZnSO4¦CuSO4|Cu (+) – элемент Якоби-Даниэля
Система, производящая электрическую энергию за счет протекающей в ней химических превращений называется гальваническим элементом или химическим источником тока (ХИТ).
Схематическое обозначение
2) Электролизер – эл/хим система, в которой химические превращения совершаются за счет внешней электрической энергии
2NaCl + 2H2O = H2+ 2NaOH + Cl2
Анод и катод
-Анод – электрод, на котором идет процесс окисления (с р-ра на электрод)
- Катод – электрод, на котором идет процесс восстановления(с электрода на вещество)
- Анолит – часть электролита, примыкающая к аноду
- Католит – часть электролита, примыкающая к катоду
Законы Фарадея
Ag+ + e– = Ag0
1 катион – 1 электрон – 1,602 × 10-19 Кл
1 моль Ag+ - 1 моль электронов – 1,602 × 10-19 × 6,02 × 1023 = 96 485 Кл/моль
F = e × NA = 96485 Кл/моль ≈ 95000 Кл/моль – постоянная Фарадея
96 500 Кл – 107,8 г Ag
Cu2+ + 2e– = Cu0
1/2 моль Cu2+ - 1 моль электричества – 96 500 Кл
96 500 Кл – 31, 775 Cu
Законы Фарадея:
MeZ+ + Ze– =Me0
1) При постоянном количестве пропущенного через электрод электричества масса продукта пропорциональна его эл/хим эквиваленту
mi = gi/Q
2) При этом количестве прошедшего электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой как их химические эквиваленты
??????????????????????????????????????????
Выход по току:
Эл/хим системы, в которых весь ток расходуется на одну эл/хим реакцию, используются в качестве кулонометров.
Кулонометры: весовые, объемные, титрационные
Весовые:
1) серебряный (кулонометр Ричардса)
2 серебряных электрода, погруженных в р-р AgNO3 (Ag|AgNO3|Ag)
2) Медный (медные электроды в р-ре CuSO4)
В электролит добавляют H2SO4 и C2H5OH
Теория электролитов
Фарадей вел: электролит – разлагается на электрические ионы – «странники»
Диссоциация слабых электролитов при высоких напряжениях проходит почти полностью
Экспериментальные факты (для теории Аррениуса)
1) Изменение осмотического давления
2) Изменение давления пара над раствором
3) Криоскопические и эбулиоскопические явления
4) Тепловой эффект реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием
5) Корреляция между каталитическим действием кислот и электропроводностью их растворов
Основные положения:
1) При растворении неорганические и органические вещества спонтанно диссоциируют на ионы (под действием растворителя)
2) Диссоциация частиц на ионы может быть полной и неполной
Ионофоры и ионогены
Вещества, которые содержат ионы в исходном состоянии, называются ионофорами (истинными электролитами) с ионной связью (NaCl, K2SO4 и др)
Вещества, которые образуют ионы лишь при растворении, называются ионогенами (потенциальные электролиты).
Недостатки теории Аррениуса
1) Не учитываются эффекты сольватации, эффект ион-дипольного взаимодействия.
2) Игнорирование ион-ионного взаимодействия.
Энергия ионной кристаллической решетки (модельный метод Борна). Уравнение Борна
Энергия ионной кристаллической решетки (ЭИКР) – равна работе, которую необходимо затратить для удаления ионов на бесконечно большое расстояние в вакууме. Впервые расчет ЭИКР был произведен М. Борном
Закон Кулона
ε – диэлектрическая проницаемость среды (для вакуума = 1)
Расчет взаимодействия двух ионов
n – зависит от электронной конфигурации ионов, рассчитывается из данных по сжимаемости кристаллов.
F = Fпр + Fот
F = 0 в положении равновесия
ЭИКР
